CN106441817A - 一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置 - Google Patents

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王静
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Abstract

本发明涉及一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其中：激光光源分束成两束激光，一束激光耦合进入到稳定的光学谐振腔，采用光腔衰荡技术测量高反射光学元件(反射率大于99％)的反射率或高透射光学元件(透过率大于99％)的透过率；另一束激光进入分光光度法测量光路，利用比率法测量反射/透射光学元件(反射率/透过率小于99％)的反射率/透过率。本发明方法能测量反射/透射光学元件任意的反射率/透过率，并对高反射率/透过率测量的测量精度比传统分光光度技术高至少2个数量级。

Description

一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置
技术领域
本发明涉及测量反射光学元件/透射光学元件的反射率/透过率的技术领域，特别涉及一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置。
背景技术
高反射光学元件和高透射光学元件广泛使用于高功率激光系统、引力波探测、激光陀螺等技术领域。精确测量高反射光学元件的反射率/透过率和高透射光学元件的透过率/剩余反射率变得尤为重要。
高反射光学元件反射率测量主要基于光腔衰荡技术(李斌成，龚元；光腔衰荡高反射率测量综述，《激光与光电子学进展》，2010,47:021203)。中国专利申请号98114152.8的发明专利“一种反镜高反射率的测量方法”，采用脉冲光腔衰荡技术实现高反射率的测量。中国专利申请号200610011254.9的发明专利“一种高反镜反射率的测量方法”、中国专利申请号200610165082.0的发明专利“高反镜反射率的测量方法”、中国专利申请号200710098755.X的发明专利“基于半导体自混合效应的高反射率测量方法”、中国专利申请号200810102778.8的发明专利“基于频率选择性光反馈光腔衰荡技术的高反射率测量方法”、中国专利申请号200810055635.4的发明专利“一种用于测量高反射率的装置”均使用连续光腔衰荡技术测量高反射率。高透射光学元件透过率测量同样可以采用光腔衰荡技术。中国专利申请号201010295724.5的发明专利“一种光学元件的透射损耗测量方法”使用连续光腔衰荡技术测量高透射光学元件的透过率。光腔衰荡技术解决了高反射光学元件反射率测量和高透射光学元件透过率的测量问题，测量范围为99％～99.9999％甚至更高。当待测光学元件反射率/透过率大于99.99％时，测量精度优于1ppm。光腔衰荡技术测量反射率/透过率的缺点是其只能测量99％以上的反射率/透过率。
对低于99％的反射率/透过率的测量则仍然采用分光光度技术。中国专利申请号201210524943.5的发明专利“一种光学元件透过率的测量方法及装置”、中国专利申请号201310013193.X的发明专利“一种光刻机中照明系统各光学组件透过率的测量装置及测量方法”通过分光光度法将特定波长的激光光束进行分束，得到两束光分别通过参考光路和测试光路来测量光学元件的透过率。分光光度技术测量反射率/透过率的缺点是其测量精度受光源强度波动的影响，无法准确测量高于99.7％的反射率/透过率。
中国专利申请号201310631614.5“一种基于脉冲激光光源的反射率综合测量方法”通过结合分光光度和光腔衰荡技术测量光学元件反射率/透过率，克服了分光光度技术和光腔衰荡技术单独测量各自的缺点，但是无测量高反射光学元件透过率和高透射光学元件反射率的功能，并且在采用光腔衰荡技术测量高反射光学元件和高透射光学元件时需要移动探测器，使用不方便；同时在光腔衰荡测量时使用的直型光学谐振耦合效率低，给测量带来不便；而在分光光度测量时探测光束经过其中一个腔镜导致光强大大衰减，降低了测量范围和精度。因此发展一种测量光学元件反射率/透过率，特别是高反射光学元件的反射率/剩余透过率和高透射光学元件的透过率/剩余反射率测量的综合测量装置十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：将基于光腔衰荡技术的高反射率/透过率测量装置和基于分光光度技术的反射率/透射率测量装置集成于一个装置中，采用同一个激光光源，实现光学元件任意反射率/透过率的准确测量。
其特征如下：
(1)光源1发出的激光束经过平面反射镜2和偏振片3后，由平面镜4分束成两束激光；其中一束激光经平面镜4透射耦合到初始光学谐振腔中，所述初始光学谐振腔由平面镜4和两块相同的平凹高反射镜5和6构成折叠腔，腔长为L0；激光束从平面镜4注入光学谐振腔，由平凹高反射镜5即平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号经聚焦透镜7聚焦后由光电探测器8测量，数据采集卡16记录并输入计算机17存储和处理，将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0；在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测高反测试光学元件9(反射率大于99％)，并相应地移动平凹高反射镜6构成测试光学谐振腔，测试腔腔长与初始腔腔长一致，将测得的测试光学谐振腔光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到测试光学谐振腔衰荡时间τ1，经计算得到待测光学元件反射率R＝L0(1/cτ0-1/cτ1)，c为光速。
(2)按(1)所述测量光腔衰荡信号并按单指数衰减函数拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0之后，在(1)所述初始光学谐振腔中根据使用角度插入待测高透光学元件(透射率大于99％)构成测试光学谐振腔；将测得的测试光学谐振腔光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到测试光学谐振腔衰荡时间τ1，经计算得到待测高透光学元件的透过率其中ns为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度。
(3)经平面镜4反射的另一束激光束进入分光光度法测量光路部分，由平面或凹面反射镜10、偏振片11、小孔光阑12、聚焦透镜14和光电探测器15组成。首先在未插入测试光学元件时，当反射测试光学元件13的反射率小于99％但大于1％时，光束经反射镜10，偏振片11，小孔光阑12和透镜14(未加入测试光学元件13)聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得参考信号电压幅度为P0；在样品位置处根据使用角度加入待测反射测试光学元件13，并将透镜14和光电探测器15移动到相应位置，经测试光学元件13反射的光束经过透镜14聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得测试信号电压幅度为P1；反射测试光学元件13的反射率为
当反射测试光学元件13的反射率小于％1时，在样品位置处先加入已知反射率的参考光学元件，测得参考信号电压幅度为P0；加入待测光学元件后，测得测试信号电压幅度为P1；已知参考光学元件的反射率为R0,则测试光学元件的反射率为
(4)当透射测试光学元件13的透过率小于99％但大于1％，按(3)所述未加光学元件测得参考信号电压幅度P0后，在样品位置处根据使用角度插入透射测试光学元件13，经过测试光学元件13的透射光经过透镜14聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得测试信号电压幅度为P1；透射测试光学元件的透过率为
当透射测试光学元件13的透过率小于1％时，在样品位置处先加入已知透过率的参考光学元件，测得参考信号电压幅度为P0；加入待测光学元件后，测得测试信号电压幅度为P1；已知参考光学元件的透过率为T0,则测试光学元件的透过率为
其中，所述的激光输出光束为TEM00模光束。
其中，所述的组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的两块平凹高反射镜和平面镜4的反射率均大于99％。
其中，所述的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔，初始光学谐振腔和测试光学谐振腔腔长L0满足0<L0≤2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。
其中，所述的偏振片3和11的偏振方向根据测试要求调节，可以是s偏振光或p偏振光输出。
其中，所述的小孔光阑12用于消除光路中的杂散光，应尽量靠近测试光学元件，光阑口径应小于被测光学元件测试面口径1mm以上。
其中，所述的光源1可采用光强可调制的连续半导体激光器，此时函数发生卡18与计算机17相连，计算机17控制函数发生卡18的调制频率、调制振幅以及偏置电压，函数发生卡18输出的方波函数用于调制光源1所采用的半导体激光器激励电压；光源1也可以采用脉冲激光器，此时不需要函数发生卡18调制光源1，光源1直接输出激光脉冲。
其中，所述的已知反射率/透过率参考光学元件的反射率/透过率需提前标定。
其中，所述的透镜14和光电探测器15安装在同一光学调节架上，方便同时移动。
其中，所述的测量低反射率/透过率的反射/透过光学元件所需的已知反射率/透过率参考光学元件的反射率/透过率范围一般在0.01％-1％。
本发明与现有技术相比具有如下优点：该装置采用同一激光光源测量光学元件反射率/透过率，保证了同一元件反射率/透过率的测量波长完全一致；采用分立的光腔衰荡构型和分光光度构型，反射率/透过率测量的切换更加方便；一个测量装置就能实现光学元件任意反射率/透过率的准确测量。
附图说明
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图1中：1为连续半导体激光光源；2为平面反射镜；3和11为偏振片；4为平面高反镜；5和6为平凹高反射镜；7和14为聚焦透镜；8和15为光电探测器；10为平面或凹面反射镜；12为小孔光阑；16为数据采集卡；17为计算机；18为函数发生卡；9和13为待测光学元件；图中的粗线为光路，细线为连接线。
具体实施方式
下面结合图1具体描述本发明提出的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置。
(1)高反射光学元件(反射率大于99％)反射率的测量：光源1发出的激光束经过平面反射镜2和偏振片3，利用平面镜4分束成两束激光；其中一束激光经平面镜4透射耦合到初始光学谐振腔中，所述初始光学谐振腔由平面镜4和两块相同的平凹高反射镜5和6构成折叠腔，腔长为L0,探测光束从平面镜4注入光学谐振腔，由平凹高反射镜5即平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号经过聚焦透镜7聚焦后由光电探测器8测量，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数(A01，A02为常系数，t为时间)拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0；在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测高反射测试光学元件9，并相应地移动平凹高反射镜6构成测试光学谐振腔，如图1中虚线所示，测试腔腔长与初始腔腔长一致，将测得的测试光学谐振腔光腔衰荡信号按单指数衰减函数(A11，A12为常系数，t为时间)拟合得到测试光学谐振腔衰荡时间τ1，经计算得到待测光学元件反射率R＝L0(1/cτ0-1/cτ1)，其中L0为初始和测试光学谐振腔腔长，c为光速。
(2)高透射光学元件(透过率大于99％)透过率的测量：在(1)中的高反射光学元件反射率测量步骤得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0之后，在初始光学谐振腔中根据使用角度插入待测透射光学元件9构成测试光学谐振腔，将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到测试光学谐振腔衰荡时间τ1，经计算得到待测光学元件的透过率其中ns为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度。
(3)一般反射光学元件(反射率大于1％但小于99％)反射率的测量：经平面镜4反射的另一束激光进入分光光度法测量装置部分，激光经平面或凹面反射镜10，偏振片11，小孔光阑12和透镜14(未加入测试光学元件13)聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得参考信号电压幅度为P0；在样品位置处根据使用角度加入待测光学元件13，并将透镜14和光电探测器15移动到相应位置，经测试光学元件13反射的光束经过透镜14聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得测试信号电压幅度为P1；反射测试光学元件的反射率为
(4)一般透射元件(透过率大于1％但小于99％)透过率的测量：按(3)中的测量步骤得到参考信号电压幅度P0后，在样品位置处根据使用角度插入透射测试光学元件13，经过测试光学元件13的透射光经过透镜14聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得测试信号电压幅度为P1；透射测试光学元件的透过率为
(5)低反射光学元件(反射率小于1％)反射率的测量：在样品位置处先加入已知反射率的参考光学元件，测得参考信号电压幅度为P0；加入待测光学元件后，测得测试信号电压幅度为P1；已知参考光学元件的反射率为R0,则测试光学元件的反射率为
(6)低透射光学元件(透过率小于1％)透过率的测量：在样品位置处先加入已知透过率的参考光学元件，测得参考信号电压幅度为P0；加入待测光学元件后，测得测试信号电压幅度为P1；已知参考光学元件的透过率为T0,则测试光学元件的透过率为
总之，本发明提出了一种用于光学元件任意反射率/透过率测量的综合测量装置。本发明克服了基于光腔衰荡技术的反射率/透过率测量装置不能测量低于99％的反射率/透过率和基于分光光度技术的透过率/透过率测量装置不能准确测量高于99.7％的反射率/透过率的缺点，实现了光学元件任意反射率/透过率的准确测量，同时具有更广的测量动态范围和更高的测量精度。

Claims (10)

1.一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：
(1)光源1发出的激光束经过平面反射镜2和偏振片3后，由平面镜4分束成两束激光；其中一束激光经平面镜4透射耦合到初始光学谐振腔中，所述初始光学谐振腔由平面镜4和两块相同的平凹高反射镜5和6构成折叠腔，腔长为L0；激光束从平面镜4注入光学谐振腔，由平凹高反射镜5即平凹高反射输出腔镜输出，输出的光腔衰荡信号经聚焦透镜7聚焦后由光电探测器8测量，数据采集卡16记录并输入计算机17存储和处理，将测得的光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0；在初始光学谐振腔内根据使用角度加入待测高反测试样品9(反射率大于99％)，并相应地移动平凹高反射镜6构成测试光学谐振腔，测试腔腔长与初始腔腔长一致，将测得的测试光学谐振腔光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到测试光学谐振腔衰荡时间τ1，经计算得到待测光学元件反射率R＝L0(1/cτ0-1/cτ1)，c为光速；
(2)按(1)所述测量光腔衰荡信号并按单指数衰减函数拟合得到初始光学谐振腔衰荡时间τ0之后，在(1)所述初始光学谐振腔中根据使用角度插入待测高透光学元件(透射率大于99％)构成测试光学谐振腔；将测得的测试光学谐振腔光腔衰荡信号按单指数衰减函数拟合得到测试光学谐振腔衰荡时间τ1，经计算得到待测光学元件的透过率其中ns为待测光学元件折射率，d为待测光学元件厚度；
(3)经平面镜4反射的另一束激光束进入分光光度法测量光路部分，由平面或凹面反射镜10、偏振片11、小孔光阑12、聚焦透镜14和光电探测器15组成。首先在未插入测试光学元件时，当反射测试光学元件13反射率小于99％但大于1％时，光束经反射镜10，偏振片11，小孔光阑12和透镜14(未加入测试光学元件13)聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得参考信号电压幅度为P0；在样品位置处根据使用角度加入待测反射测试光学元件13，并将透镜14和光电探测器15移动到相应位置，经测试光学元件13反射的光束经过透镜14聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得测试信号电压幅度为P1；反射测试光学元件13的反射率为
当反射测试光学元件13的反射率小于％1时，在样品位置处先加入已知反射率的参考光学元件，测得参考信号电压幅度为P0；加入待测反射测试光学元件后，测得测试信号电压幅度为P1；已知参考光学元件的反射率为R0,则测试光学元件的反射率为
(4)当透射测试光学元件13的透过率小于99％但大于1％，按(3)所述未加测试光学元件测得参考信号电压幅度P0后，在样品位置处根据使用角度插入透射测试光学元件13，经过测试光学元件13的透射光经过透镜14聚焦到光电探测器15上，数据采集卡16记录并输入计算机17处理及存储，测得测试信号电压幅度为P1；透射测试光学元件的透过率为
当透射测试光学元件13的透过率小于1％时，在样品位置处先加入已知透过率的参考光学元件，测得参考信号电压幅度为P0；加入待测光学元件后，测得测试信号电压幅度为P1；已知参考光学元件的透过率为T0,则测试光学元件的透过率为。
2.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的激光输出光束为TEM00模光束。
3.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的组成初始光学谐振腔和测试光学谐振腔的两块平凹高反射镜和平面镜4的反射率均大于99％。
4.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的初始光学谐振腔和测试光学谐振腔均为稳定腔，初始光学谐振腔和测试光学谐振腔腔长L0满足0<L0≤2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的偏振片3和11的偏振方向根据测试要求调节，可以是s偏振光或p偏振光输出。
6.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的小孔光阑12用于消除光路中的杂散光，应尽量靠近测试样品，光阑口径应小于被测光学元件测试面口径1mm以上。
7.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的光源1可采用光强可调制的连续半导体激光器，此时函数发生卡18与计算机17相连，计算机17控制函数发生卡18的调制频率、调制振幅以及偏置电压，函数发生卡18输出的方波函数用于调制光源1所采用的半导体激光器激励电压；光源1也可以采用脉冲激光器，此时不需要函数发生卡18调制光源1，光源1直接输出激光脉冲。
8.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的已知反射率/透过率参考光学元件的反射率/透过率需提前标定。
9.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的透镜14和光电探测器15安装在同一光学调节架上，方便同时移动。
10.根据权利要求1所述的一种用于光学元件反射率/透过率测量的综合测量装置，其特征在于：所述的测量低反射率/透过率的反射/透过光学元件所需的已知反射率/透过率参考光学元件的反射率/透过率范围一般在0.01％-1％。
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